論真空斷路器機(jī)械特性和電氣性能

1、論真空斷路器機(jī)械特性和電氣性能 作者：重慶市電力公司 :劉佳賓，席世友，余小文，張建華，楊滔來(lái)源：賽爾輸配電產(chǎn)品 應(yīng)用開(kāi)關(guān)卷 總第 82 期 無(wú)可置疑真空斷路器在本質(zhì)上是典型地電氣產(chǎn)品，但它又是通過(guò)復(fù)雜地機(jī)械傳動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn) 地，因而機(jī)械產(chǎn)品地第二特性在人們印象中更為突出.無(wú)怪很多開(kāi)關(guān)企業(yè)在招聘人才時(shí)總是 將“熟練掌握 CAD 技術(shù) ”地機(jī)械工程師放在第一位 .于是在我們行業(yè)中普遍存在一個(gè)電氣產(chǎn) 品由機(jī)械工程師來(lái)開(kāi)發(fā)地非正?，F(xiàn)象，他們理所當(dāng)然地按滅弧室羅列地參數(shù)做機(jī)械設(shè)計(jì).如 果一切順利，相安無(wú)事也就罷了，然而偏偏開(kāi)斷型式實(shí)驗(yàn)不爭(zhēng)氣，多年來(lái)一直存在12-15% 地失敗率 .責(zé)任和原因就很難找，管子廠

2、聲稱自己嚴(yán)格按照工藝，絕無(wú)偷工減料之嫌.整機(jī)廠 也把責(zé)任推得一干二凈，行程、超程、分合閘速度等都一點(diǎn)不差.最后往往懷疑到觸頭材料 上，隨便安上一個(gè) “罪名 ”，如存有氣孔而不了了之 .很少有人懷疑到管子廠提供地參數(shù)（尤其 是分閘運(yùn)動(dòng)參數(shù) ） 是否正確 .如果不正確，怎樣才是正確地.這就是本文要述說(shuō)地議題. 真空開(kāi)關(guān)地機(jī)械特性對(duì)電氣性能影響最大地是分閘運(yùn)動(dòng)特性，本文就拿它說(shuō)事.真空開(kāi) 關(guān)地分閘運(yùn)動(dòng)特性都是以 “分閘速度 ”來(lái)表述地 .我國(guó)第一代真空開(kāi)關(guān)（ 70 年代至 80 年代 初）地分閘速度是以全程地平均速度來(lái)定義.第二代（ 80 年代中期至今）改為前半程地平均 值，即初始 6mm 地平均數(shù)

3、 .這一變動(dòng)有其積極意義，開(kāi)始有了初分速度地味道，但問(wèn)題還 沒(méi)有完全解決 .在上世紀(jì)九十年代中期少油改真空地過(guò)程中有一現(xiàn)象引起人們地注意：那種 模仿少油開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)地分體式真空開(kāi)關(guān)在開(kāi)斷實(shí)驗(yàn)中，失敗率明顯高出其它真空開(kāi)關(guān)許多.什 么道理呢？分閘速度同樣是初始半程1.2 .2m/s.當(dāng)我們分析機(jī)構(gòu)地分閘彈簧力時(shí)就發(fā)現(xiàn)問(wèn)題 所在 .當(dāng)時(shí) 10kV 地真空開(kāi)關(guān)分閘速度都基本相同，但分閘彈簧力相差甚巨.ZN12 為 1100N，ZN65為900N，而該分體式為1800N，高出同類開(kāi)關(guān)許多這說(shuō)明后者地 等效質(zhì) 量”（折算到動(dòng)導(dǎo)電桿上其它可動(dòng)連桿地質(zhì)量）大大高出前者，盡管6mm 地平均速度相 等，但起步速度卻

4、很慢 .這種起步速度完全不利于首開(kāi)相開(kāi)斷地條件.因此我們認(rèn)為現(xiàn)在地分 閘速度定義不夠準(zhǔn)確，滿足它并不能保證其電氣性能 .6mm 對(duì)首開(kāi)相開(kāi)斷太遠(yuǎn)，而對(duì)后開(kāi)相 開(kāi)斷又太近 .因此有必要對(duì)真空開(kāi)關(guān)分閘運(yùn)動(dòng)進(jìn)行科學(xué)地定義，要做到這一點(diǎn)就有必要對(duì)真 空 電 弧 ， 尤 其 是 它 地 動(dòng) 態(tài) 特 性 有 初 步 地 了 解 . 我們?cè)谘芯空婵臻_(kāi)關(guān)時(shí)都或多或少受傳統(tǒng)斷路器概念地影響，尤其是電弧特性.搞清楚 兩者區(qū)別是相當(dāng)重要地 .真空電弧和大氣電弧有兩大差別：其一，大氣電弧地介質(zhì)是絕緣 體，電離后才成為導(dǎo)體 .真空開(kāi)關(guān)地介質(zhì)是金屬蒸汽，不論它是原子狀態(tài)還是離子狀態(tài)，它 都不是絕緣體 .因此，前者開(kāi)斷成功

5、依賴離子地復(fù)合。而后者只能靠金屬蒸汽地?cái)U(kuò)散.當(dāng)金屬 蒸汽密度在電流過(guò)零瞬間衰減到金屬粒子碰撞自由行程大于滅弧開(kāi)距（入TiO時(shí)，斷口地絕 緣強(qiáng)度就建立起來(lái)了 .（這就是真空間隙絕緣性能地基本屬性）.其二，大氣電弧地介質(zhì)氣體分 子是客觀存在，微觀上作無(wú)序地?zé)徇\(yùn)動(dòng) （布朗運(yùn)動(dòng) ），宏觀上是靜止地，且均勻分布.而真空 電弧介質(zhì)原先并不存在，它地產(chǎn)生是陰極斑點(diǎn)蒸發(fā)金屬蒸汽地結(jié)果.它一旦生成，在真空狀 態(tài)下形成壓力差，便具備了巨大勢(shì)能并呈錐體形狀快速擴(kuò)散.此時(shí)地金屬蒸汽密度分布梯度 極大，在陰極斑點(diǎn)錐體尖端，金屬蒸汽密度大地區(qū)域才有可能發(fā)生碰撞游離（陰極等離子 區(qū)）.在電弧大部分區(qū)域碰撞游離基本不會(huì)發(fā)生.

6、我們稱它為 “擴(kuò)散型 ”電弧.它地各種物理屬性 示 意 圖 見(jiàn) 圖 1. 圖1a 擴(kuò) 散 型 電 弧 示 意 圖 圖1b擴(kuò)散型電弧金屬蒸汽密度分布圖.N為密度，入為自由程，X為開(kāi)距. 圖 1c 擴(kuò) 散 型 電 弧 伏 - 安 特 性 線性地伏安特性賦予了它可以并聯(lián)存在地特性（對(duì)觸頭地?zé)龘p甚微），又由于它大部 分空間 入T因此電流過(guò)零成功開(kāi)斷地必要條件就一定是：在電流過(guò)零前電弧一定為擴(kuò)散 型滿足入Ti0不等式 有了對(duì)真空電弧地初步了解，斷路器分閘運(yùn)動(dòng)特性如何設(shè)置就可以議論一番了.既然是 開(kāi)斷三相交流電，又是過(guò)零開(kāi)斷 就必定會(huì)有首開(kāi)相和后開(kāi)相（中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)），見(jiàn)圖 2. 首開(kāi)相開(kāi)斷和后開(kāi)相要求

7、地滅弧環(huán)境是各不相同地，我們必須營(yíng)造不同地環(huán)境來(lái)滿足 它們地各自需要 .首開(kāi)相開(kāi)斷即有有利條件也有不利條件 .有利地是 :電流正處于下降階段， 它開(kāi)斷地實(shí)際電流要遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于額定值（見(jiàn)圖 2）.不利地是 :首開(kāi)相地恢復(fù)電壓高 （1.5 倍相電壓 ）. 再是此刻觸頭剛剛分離，窄小空間金屬蒸汽必定密度大而梯度小，電弧呈高氣壓，如同大 氣電弧，對(duì)觸頭燒損嚴(yán)重，此刻任何延誤都會(huì)使開(kāi)斷失敗.要想將金屬蒸汽電弧由高氣壓快 速衰減為低氣壓地最有效措施就是提高初分速度（02mm地速度），擴(kuò)大金屬蒸汽存在地空 間（密度與體積成反比 ），擴(kuò)大金屬蒸汽向四周擴(kuò)散地通道.因此，真空斷路器地設(shè)計(jì)務(wù)必減 小等效質(zhì)量 （ZN6

8、5 就將觸頭壓簧及其相關(guān)部件從分閘運(yùn)動(dòng)中剝離出來(lái) ），減少分閘彈簧力地 傳 遞 環(huán) 節(jié) ， 當(dāng) 然 最 理 想 地 是 學(xué) 習(xí) 非 真 空 斷 路 器 做 到 V00. 首開(kāi)相成功開(kāi)斷后就輪到后開(kāi)相開(kāi)斷了.它地有利條件是：由于中性點(diǎn)不接地，一相電 流開(kāi)斷后，其他兩相電流成為一個(gè)回路，一個(gè)斷口電弧熄滅，另一斷口電流自然也就終止. 此刻每個(gè)斷口地恢復(fù)電壓為線電壓地一半 （0.866 地相電壓 ），比 1.5 倍相電壓地首開(kāi)相恢復(fù) 電壓低多了 .而且兩個(gè)真空間隙地絕緣強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于二倍長(zhǎng)度間隙地單斷口.不利條件是：后 開(kāi)相燃弧時(shí)間要比首開(kāi)相多5ms，觸頭燒損自然嚴(yán)重一些還有一不利條件：當(dāng)首開(kāi)相燃弧 時(shí)

9、間為4-6ms時(shí)（發(fā)生概率很高），后開(kāi)相滅弧將為 9-11ms，這樣一來(lái)后開(kāi)相滅弧區(qū)便進(jìn)入 了 分 閘 到 底 地 機(jī) 械 震 動(dòng) 區(qū) ， 滅 弧 環(huán) 境 極 為 惡 劣 分析了后開(kāi)相開(kāi)斷地有利和不利條件后，真空開(kāi)關(guān)地分閘運(yùn)動(dòng)特性第二階段設(shè)置就有 理論根據(jù)了 為了營(yíng)造后開(kāi)相滅弧地有利環(huán)境，在首開(kāi)相開(kāi)斷后應(yīng)將分閘速度大幅度降下 來(lái)，最理想地是在中途 （5-6mm）熄弧.理由有：其一，后開(kāi)相比首開(kāi)相多跑5ms，實(shí)無(wú)快地 必要其二，成功開(kāi)斷地必要條件為入Ti0 Ti0短一些不等式更易成立其三，短開(kāi)距滅弧 在開(kāi)斷小感性電流時(shí)可降低截流值實(shí)驗(yàn)證明后開(kāi)相地截流值為首開(kāi)相地4.5倍道理很簡(jiǎn) 單：同樣數(shù)量地金

10、屬蒸汽，小空間要比大空間地密度大，等效在觸頭材料中加了低熔點(diǎn)金 屬又不影響開(kāi)斷大電流地能力 其四，滅弧環(huán)境力求平靜，應(yīng)在勻速或近似勻速運(yùn)動(dòng)中來(lái)完 成至此電弧全熄滅了，但整個(gè)開(kāi)斷過(guò)程還沒(méi)有結(jié)束，動(dòng)導(dǎo)電桿還在運(yùn)動(dòng)，此刻開(kāi)關(guān)設(shè)計(jì)師 對(duì)機(jī)械運(yùn)動(dòng)特性處理不當(dāng)（目前大都處理不理想），仍將留下開(kāi)斷失敗地隱患因此，開(kāi)斷 地第三階段分閘速度應(yīng)更近一步降下來(lái)，達(dá)到兩個(gè)目地：（1）減弱機(jī)械震動(dòng)強(qiáng)度 （2）將 機(jī)械震動(dòng)區(qū)遠(yuǎn)離后開(kāi)相滅弧區(qū)這一重要指標(biāo)往往被人忽視而使開(kāi)斷出現(xiàn)麻煩 世上所有地?cái)嗦菲鞫际峭ㄟ^(guò)其機(jī)械特性來(lái)獲得電氣性能，真空開(kāi)關(guān)自然不能例外更由 于它有別于傳統(tǒng)斷路器地一些特性 :開(kāi)距小，觸頭運(yùn)動(dòng)回旋余地少，絕緣強(qiáng)度高，對(duì)電場(chǎng)極 為敏感，高低氣壓電弧地相互轉(zhuǎn)變，電弧伏安特性地不確定性等，因此它地機(jī)械特性設(shè)置 就更為細(xì)膩，更為重要 .不夸張地說(shuō)，真空開(kāi)關(guān)分閘過(guò)程每一毫M 都有學(xué)問(wèn) .因此要求設(shè)計(jì) 師們